SELECCIÓN DE RECUBRIMIENTOS DUROS APLICADOS A

Rev. del Instituto de Investigación (RIIGEO), FIGMMG-UNMSM
Vol. 2, N.º 04 Julio - Diciembre 1999
SELECCIÓN DE RECUBRIMIENTOS DUROS APLICADOS A PIEZAS
INDUSTRIALES
Edgardo Tabuchi Matsumoto (*)
Resumen
En toda operación industrial, un problema importante del mantenimiento de
herramientas, equipos y maquinarias, es el de minimizar el desgaste o recuperar
las piezas desgastadas, cuyo costo es menor que el de cambio de las mismas,
para lo cual es importante reconocer el problema y la forma de recuperarlas, que
por lo general, implica la aplicación de un recubrimiento metálico por soldadura y
un maquinado para su acabado. Pero ello no lo es todo, lo más importante es
conocer el cómo y con qué material reprocesar la pieza; para ello es necesario
saber seleccionar la el tipo adecuado de recubrimiento y el proceso de aplicación
de éste. El presente trabajo tiene por finalidad, lograr seleccionar el recubrimiento
más adecuado para el metal base de la pieza desgastada.
(*) Docente del Departamento Académico de Ingeniería Metalúrgica-UNMSM
I.-INTRODUCCION
Los recubrimientos duros de piezas de máquinas y equipos sometidos a desgaste
son procedimientos, que datan de unos 70 años atrás. Con el advenimiento de los
procesos de soldadura, se intentó restaurar las superficies desgastadas de las
piezas de acero, algunas veces con éxito y otras insatisfactoriamente, situación
que obligó a experimentar con metales y aleaciones que producían recubrimientos
duros. La industria petrolera, minera y de construcción civil fueron los primeros en
utilizar estos procesos. El éxito alcanzado motivo a una utilización cada vez más
creciente en otros campos.
El recubrimiento duro para controlar el desgaste varía ampliamente, desde el
desgaste por abrasión tal como la rotura y pulverización de rocas, hasta
aplicaciones que requieren que el desgaste metal-metal sea el mínimo posible. De
tal manera que el recubrimiento duro ha llegado a ser uno de los más importantes
factores de mantenimiento en la industria.
II.- CONSIDERACIONES TEORICAS
2.1 DESGASTE
El desgaste no viene a ser sino la remoción de partículas de la superficie de una
pieza metálica por acción de fuerzas de fricción, combinada algunas veces con
fuerzas de impacto y/o corrosión.
Los problemas de desgaste existen en cualquier parte donde haya movimiento,
casi todas las industrias encuentran problemas de desgaste. Excesivos desgastes
causan grandes pérdidas anualmente debido a:
- Paradas de producción no planificadas.
- Reemplazos repetitivos de partes costosas.
- Costos elevados por mantenimiento no-planificados.
- Pérdidas de eficiencia producción.
- Pérdidas de ventas por pobres rendimientos de productos.
2.1.1 Principales factores de Desgaste
Entre los principales factores de desgaste podemos considerar a la abrasión,
erosión, impacto, corrosión, y calor. Otros factores no menos importantes, pero
menos comunes son el rozamiento metal-metal, la cavitación e impacto-fatiga. Lo
cual nos ocuparemos de los factores que se presentan más comúnmente:
2.2 ABRASIÓN
Originada por la acción de partículas abrasivas duras que bajo acción de cargas
se mueven en la superficie de la pieza, creando surcos o canales por remoción de
material más blando. El proceso de remoción se efectúa por uno de los siguientes
mecanismos:
- Cortante: ocurre en materiales dúctiles, cuando partículas con bordes agudos
actúan formando virutas de metal.
- Desconchado: cuando la superficie es dura y frágil, las partículas duras fracturan
y desprenden el material en forma de astillas.
- Labrado: se produce cuando partículas redondeadas actúan sobre superficies
dúctiles produciendo deformación plástica y deposición de material en los bordes.
- Erosión: causada por impactos de partículas sólidas a alta velocidad y
determinado ángulo de incidencia.
2.3 EROSIÓN
Se produce por la acción cortante de partículas suspendidas en un medio fluido
con alta energía cinética actuando bajo un determinado ángulo de impacto, cuyo
daño al material puede verse acelerado por calor y corrosión.
2.4 IMPACTO
Se traduce en la colisión de partículas sobre la superficie metálica que origina un
debilitamiento de sus propiedades mecánicas, por alteración de la estructura
cristalina superficial.
2.5 CORROSIÓN
Este mecanismo ocurre cuando se produce una reacción química o
Electroquímica. Y podemos considerar dos situaciones diferentes, el ataque
químico directo en el cual los electrones abandonan el metal convirtiéndolos en
cationes metálicos de un compuesto; y la corrosión electroquímica por acción de
un electrolito y de otro metal que produzca una acción catódica, convirtiendo a la
pieza metálica en parte anódica.
2.6 CALOR
Este no es un factor que cause un desgaste directo, más bien es un factor
coadyuvante a los otros mecanismos, que actúa acelerando la acción de los otros
factores antes mencionados.
III.- SELECCIÓN Y APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS DUROS
Para una buena aplicación de un recubrimiento duro se debe tomar en cuenta
algunas consideraciones básicas, en parte común a todo proceso de soldadura
como viene a ser el metal base, características físicas de la pieza, forma y
composición de la aleación para el recubrimiento, y el proceso de soldadura; tanto
como la habilidad del soldador y el costo de operación.
3.1 PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA
Los procesos de soldadura que se emplean, en orden de frecuencia con que se
usan, los podemos clasificar en la forma siguiente:
1. Manual: por oxiacetileno o por arco eléctrico.
2. Semiautomático: con arco abierto, arco sumergido, o arco metálico con
protección gaseosa.
3. Automático: con arco abierto o sumergido.
4. Por rociado de polvo.
En los cuadros N° 1 y 2 se resumen algunas características de los procesos de
soldadura y recubrimiento.
3.2 SELECCIÓN DE PROCESO DE SOLDADURA
La mayoría de los procesos de recubrimiento y relleno involucran fusión por
soldadura, donde el metal de relleno y la superficie del metal base funden juntos y
solidifican y luego re solidifican.
- Los procesos oxiacetilénicos producen calentamiento y enfriamientos lentos, lo
cual requiere tener un buen control del trabajo a realizar. Los equipos son muy
portables y menos costosos que los de arco eléctrico.
- Los procesos de arco eléctrico, por otro lado, son más rápidos y más baratos en
total si ha de realizarse una gran cantidad de trabajo y no requiere una habilidad
especial para realizarlos, tal como los procesos de soldadura por gas. Los ciclos
de calentamiento y enfriamiento son más rápidos por arco eléctrico, esto significa
que. las tensiones térmicas sobre el metal base y el recubrimiento son mucho
mayores, por lo tanto son más susceptibles a fisuramiento.
Para trabajos pequeños y uso en el campo la elección suele ser entre procesos
oxiacetilénicos o electrodos por arco eléctrico. Para usos en plantas de producción
es preferible utilizar procesos automáticos o semiautomáticos como MIGIMAG
(Metal gas inerte/Metal gas activo) o proceso por arco sumergido.
3.3 SELECCIÓN DE ELECTRODOS PARA ARCO ELÉCTRICO
La soldadura por arco eléctrico con electrodos, suele ser el proceso más
extensivamente usado, por lo tanto para alternativas de selección podemos utilizar
una variedad de normas, pero nos remitiremos al uso de las normas más
conocidas en nuestro medio, como son las normas AWS y a su clasificación
A.5.21, titulada "ESPECIFICACIONES DE VARILLAS Y ELECTRODOS PARA
RECUBRIMIENTOS", que nos especifican los cuatro grupos más importantes de
metales de relleno y recubrimiento, ver Tabla N° 1
Tabla N° 1: ESPECIFICACIONES DE VARILLAS Y ELECTRODOS PARA
RECUBRIMIENTOS
MATERIAL
CÓDIGO
OBSERVACIONES
RFe5-A, RFe5-B,
Varillas y Electrodos para
EFe5-A, EFe5-B,
aceros rápidos
EFe5-C
Aleaciones de elevada dureza para aceros de
herramientas.
Electrodos para aceros
austetínicos al
manganeso
EfeMn-A, EFeMn-B
Aleaciones resistentes a abrasión de
endurecimiento por trabajado.
Varillas y electrodos
austetínicos de alto
cromo
FFeCr-A1, EFeCr-A1
Aceros stainless steel de bajo carbono resistentes
a corrosión.
Varillas y electrodos de
carburo de tungsteno
EWC-XX, EWC-XX
Existiendo 13 grados de carburos de W,
dependiendo de su granulometría.
3.4 APLICACIONES Y CONDICIONES DE SERVICIO
Los recubrimientos duros y rellenos pueden ser divididos en aproximadamente
cinco clases de condiciones de servicio, que nos permitirán elegir las mejores
aleaciones para el trabajo. Estas condiciones de servicio son las siguientes:
Clase I: Impacto severo.
Clase II: Abrasión muy severa.
Clase III: Corrosión, a menudo con abrasión, y frecuentemente a altas
temperaturas de trabajo.
Clase IV: Abrasión severa con impacto moderado.
Clase V: Abrasión con impacto moderado a severo.
IV.-CONCLUSIONES
De todo lo expuesto, podemos sacar algunas conclusiones útiles, en razón a
nuestro medio industrial. En lo referente a los procedimientos de soldadura por lo
general son del tipo manual prefiriéndose la soldadura por arco eléctrico (muy
común en la mayoría de talleres), con referencia al tipo de electrodo la selección
más adecuada deberá hacerse en referencia al material de la pieza a recuperar y
a las condiciones de servicio, no habiendo un producto general para todo uso, que
podamos indicar, pudiéndose elegir electrodos de metal base Ni o Fe que tengan
aporte de carburo de tungsteno.
V.-REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1.-Welding - Skill and Technology de Dave Smith.
2.-Welding Handbook de la American Welding Society.
3.-Metalurgia de la Soldadura de Daniel Seferian.
4.-Catálogo de Soldaduras Especiales de EXSA - Oerlikon.
ANEXOS
CUADRO Nº 1-PROCESOS DE SOLDADURA
RECUBRIMIENTO DURO
ENMANTEQUILLADO Y RELLENO
PROCESO
MODO DE
APLICACIÓN
Manual y
Automático
FORMA
DEL METAL
DE
APLICACIÓN
FORMA
DEL METAL
DE
APLICACIÓN
METALES
APLICABLES
OBSERVACIONES
Base Co, NI
y Fe;
Varilla fundida
compuestos
o varilla tubular
de Carburo
de W
----
----
----
----
----
----
----
Uso limitado
METALES
APLICABLES
OXIACETILÉNICO
ARCO ELÉCTRICO
CON METAL
DESNUDO
ARCO ELÉCTRICO
PROTEGIDO
Manual
Polvo
Base Co, Ni
y Fe;
compuestos
de Carburo
de W
Manual y
semiautomático
Alambre
desnudo o
alambre
tubular
Arcos
austeníticos
al
manganeso
----
Manual
Varilla fundida
o alambre o
varilla tubular
revestida
Base Co, Ni
y Fe;
compuestos
de Carburo
de W
Alambre
revestido
Aceros
Stainless
Steel,
base Ni,
Cu y Fe
----
Semiautomático
Alambre
tubular
Base Fe
Alambre
tubular
Aceros
Stailenss
Steel,
base Fe
----
Automático
Alambre
tubular
Base Fe
Alambre
tubular
Aceros
Stailenss
Steel,
base Fe
----
Manual
Base Co,
Ni, y Fe;
Varilla fundida
compuestos
o varilla tubular
de Carburo
de W
Alambre
desnudo o
varilla
Aceros
Stainless
Steel,
base Ni,
Cu y Fe
----
Automático
Alambre
tubular, varilla
Alambre
desnudo
Aceros
Stainless
----
ARCO ABIERTO
(AUTOPROTEGIDO)
TIG (tungsteno GAS
INERTE)
Base Co,
Ni, y Fe;
fundida extra
compuestos
larga; polvo de de Carburo
Carburo de W de W
con alambre
desnudo
Steel,
base Ni,
Cu y Fe
MAG (metal GAS
ACTIVO)
Semiautomático,
automático
----
Alambre
desnudo
ARCO SUMERGIDO:
ALAMBRE
MONOELECTRODO
Alambre sólido
Semiautomático o alambre
Base Fe
tubular
----
MULTIELECTRODO
ARCOS EN SERIE
ELECTRODO
DESNUDO
ELECTRODO
AUXILIAR DE CINTA
ELECTRODO DE
POLVO AUXILIAR
Automático
Automático
Automático
Automático
Automático
----
Aceros
Stainless
Steel,
base Ni,
Cu y Fe
Uso limitado con
aleaciones base Cu
Alambre sólido
Base Fe
o tubular
Alambre
desnudo o
tubular
Aceros
Stainless
Steel,
base Ni,
Cu y Fe
Uso limitado con
aleaciones base Cu
Alambre sólido Base Fe
Alambre
desnudo
Aceros
Stainless
Steel,
base Ni
Usado
primariamente para
relleno de grandes
embarcaciones
Banda
metálica
Aceros
Stainless
Steel,
base Ni
Usado
primariamente para
relleno de grandes
embarcaciones
----
----
Alambre sólido
Base Fe y
o almbre con
Co
polvo metálico
Aceros
Alambre sólido
Stainless
con polvo
Steel,
metálico
base Ni
ALAMBRE
PRECALENTADO
Alambre sólido
o alambre
Base Fe
tubular
Automático
Uso limitado
Alambre
desnudo o
alambre
tubular
ARCO PLASMA (arco
Automático
transferido): POLVO
ELECTROESCORIA
----
----
Alambre sólido
o alambre
Base Fe
tubular
Base Fe, Ni,
Polvo con o sin
Co; carburo
Carburo de W
Polvo
de W
granulado
compuesto
Automático
Aceros
Stainless
Steel,
base Ni,
Cu y Fe
----
----
Aceros
Stainless
Steel,
base Cu y
Ni
Aceros
Alambre sólido Stainless
o alambre
Steel,
tubular
base Cu,
Ni y Fe
Platina o
almbre
Aceros
Stainless
Steel,
base Ni y
Fe
----
Usado primariamente para producir
recubrimiento duro
Usado
primariamente para
relleno de grandes
embarcaciones y
componentes
relacionados
Usado solamente en
grandes secciones